煤业有限公司回风顺槽疑似陷落柱综合探测方案

山西
元古韩荆宝煤业有限公司 3501回风顺槽疑似陷落柱综合探测
设计方案
安徽惠洲地下灾害研究设计院
二零一三年六月
1 工程概况
3501工作面是位于井田中西部，目前采掘煤层为3#煤层，该工作面是2013
年年度采掘计划中的重要部分，工作面运输顺槽和切眼截止5月底已经完成施工，回风顺槽已经掘进至170米，巷道较为平整，掘进中没有出现淋水现象。

在回风顺槽掘进至与回风联络巷交点前44米处时，巷道由煤层开始逐渐过
渡到岩层，穿越16-18米后（右帮要比左帮范围略大），又由岩层过渡到煤层，矿方推测巷道经过的岩层异常区可能为陷落柱。

2013年6月1号，由防治水副总鹿总带领防治水办事处人员下井实地查看后，由防治水办事处人员综合分析提出此探测方案。

2 方法简介
地震反射偏移和MSP 超前探测技术主要用于探测巷道侧帮及迎头前方的异
常构造展布情况，通过偏移反射能量的强弱对比，表明该处存在较明显异常反射界面，结合现场地质钻探等资料进行分析推断，判断该异常界面的性质。

矿井地震超前探测距离与激发弹性波能量、检波器频带及灵敏度、采集数据量以及分析弹性波主频范围等因素相关，采用炸药震源激发弹性波能量较强，一般能超前预测预报距离在150m ～200m 之间；采用锤击震源激发弹性波，需要加大数据采集量来增强迎头前方异常构造反射能量，一般超前预测预报距离在70m ～100m 之
安徽惠洲地下灾害研究设计院
A nhui Huiz hou I ns titute of Subterra nea n C alam ity
a 共炮点脉冲时间剖面
b 偏移脉冲响应剖面为椭圆,两个焦点为激发点S,和接收点i R
图2-2 脉冲椭圆响应示意图
图2-1 反射偏移观测系统原理
间。

2.1 矿井地震反射偏移简介
根据反射波勘探原理，此次采用多道叠加小步长顺移前进观测系统(图2-1)
该技术是利用不同介质在波阻抗上的差异，在波阻抗分界面上满足斯奈尔定
理发生了反射现象，地震的原始记录是关于激发接收点空间位置和反射相位的到时信息（图2-2所示），这些原始记录中的反射相位在时间域形态一般不能直接代 表地下地质体的实际形态，比如在共炮点道集中，来自水平层的反射相位在时间域内成曲线状，这就需要在后续的对原始记录处理时把反射波回投到反射界面上，在回投的过程中要去掉传播过程中的效应，如衰减和扩散等，最后能够得到正确归位反映地下实际反射界面的地震记录。

射线偏移，以几何地震学和波的绕射理论为基础，可以计算机上自动实现反射波和绕射波的空间归位处理。

根据地震几何学规律，如果输入剖面为非零炮检距观测系统测得的(有炮检距剖面)，且速度V 不变时，其脉冲响应为椭圆，它以反射点S 和接收点R 为焦点，以t V *为定长，长半轴2/*t V a =，短半轴22)2/(l a b -=其中l 为炮检距，如图(2-2)，椭圆方程为
1)21()21()21()(2
22
22=-⋅+⋅-l t V Z t V x x d 叠前射线偏移可在共炮检距道集，共中心
点或共炮点道集内进行。

现以共炮点道集为例
说明椭圆法叠前射线偏移的实现过程。

任取记
录道上某道的一个样值a ，它是记录时间t ，
炮检距i X 的函数，记为),(j i t x a ，由于a 可视
为脉冲，它的偏移脉冲响应为一个椭圆。

因此
按公式在输出剖面上确定炮点S ，接收点i R 位
置，以S ，i R 为焦点，以t V 为定长计算椭圆轨迹，将振幅j i a 沿椭圆轨迹布放即
完成了一个样值的偏移处理。

对记录上所有的样值重复上述步骤，并将落在同一
图2-3 共接收点记录的射线偏移过程
网点上振幅值叠加。

图3-3表示了一个反射同相轴的偏移处理方法。

椭圆簇的包
络线AF就是所求的反射界面段，波的旅行路径(射线)说明，包络线与真实反射
界面是完全一致的。

2.2 MSP超前探测原理简介
矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Prediction)，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。

震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。

这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断
裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。

图3-4为MSP模型及合成记录示意图，其中(a)为测线前方存在的三层介质速度
模型，采用一点接收，多个激发点成排列依次激发。

(b)图中共有三个波组，自左向右分别为直达波组、一二层波阻抗界面的反射波组、二三层波阻抗界面反射波组。

硬件技术参数如下：
1）记录单元2）接收单元
通道：6道；分量：单分量；
A/D：24位；灵敏度：1000mV/g±5%；
采样长度：最大记录长度为14468采样点；频率范围：0.5-5000HZ；
采样间隔：8μs和1250μs；横向灵敏度：＞1%；
动态范围：100dB工作环境温度：0℃-65℃
平台：LINUX
3）激发单元
输出电压：0.5～5V。

每条巷道地震探测设计6道接收，道间距1m，利用巷道的两帮，每个侧帮设置66个锤击点，对应不同的炮检距，每个侧帮探测采集数据点数为396道地震道，两侧帮共采集792道数据。

3、勘探方案
3.1 地球物理勘探方案
根据现场揭露条件和采掘工程平面图等资料，初步确定物探方案为地震共偏移勘探，在3501回风顺槽左右帮各设置一条测线。

从揭露位置提前10米开始布置第一个测点，然后穿越异常区到出异常区前面10米止，每2米布置一个锤击点，每次开六道检波器同时接受。

地震共偏移的启动震源可以是放炮也可以是锤击，考虑到我矿井为高瓦斯矿井，安排放炮较为不便，也存在一定的安全风险，所以决定采用锤击形式。

根据以往经验，锤击效果的有效范围大概在70-100米，结合现场揭露情况和我们自己的推测，锤击效果可以满足现场的陷落柱范围探测需求。

图3-1 疑似陷落柱物探探测方案平面布置图
（注：图中红线包围的圈为假设陷落柱边界，粉红色的短线为探测点位置，绿色线为探测线范围）
3.2 钻探勘探方案
1、施工位置：据现场实际调查结果，打钻位置设计在3501回风顺槽距回风联络巷53m处，巷道底板以上1.3米处。

2、钻孔布置：根据现场实际调查情况，本次施工设计6个钻孔，钻孔参数如表3-1所示。

3、钻孔技术要求。

（1）钻机型号：（根据矿实际情况）。

（2）钻杆50mm、钻头为75mm无芯钻头（根据矿实际情况）。

表3-1 钻孔参数表
据煤层倾向适当调整），每个钻孔的方位、角度都必须由测量部门测定，施工单位严格按给定的参数安装钻机，组织施工。

（4）钻孔结构：钻孔均为无芯钻进。

（5）排水：在3501回风顺槽合适地点布设排水设备，并配备相应排水管路，在钻孔施工过程中如果发现水量随钻孔增加而增大，那么视水情停止继续施工或增设足够的排水设备，并且排水设备要及时检修，避免发生故障。

（6）钻孔施工顺序为1#至6#。

施工过程中如未达到设计孔深就已经钻出陷落柱边界超过4米，则可停止施工；如果施工至设计深度未见陷落柱边界，则继续钻进，直至钻探到陷落柱边界4米为止。

（7）在钻探施工过程中，可利用已施工完成的钻孔成果，对将要施工的钻孔参数进行调整，也可以适当增加钻孔，但必须通知防治水科。

3.3 钻孔主要安全技术措施
1、做好打钻硐室内的巷道支护。

2、在钻场处安设专用电话，遇有情况及时向矿安全指挥中心汇报。

3、排水设施必需完善后，方可施工钻孔。

4、依据设计，主要钻孔参数必须由测量人员亲临现场确定。

5、各项原始记录要及时、清楚、准确、完整，钻进过程中发生各种异常现象均要及时记录。

6、钻进过程中钻机后方严禁站人，以免钻杆伤人。

7、施工期间，保证撤退后路畅通。

8、在钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或者钻孔中水压、水量突然增大和顶钻等透水征兆时，应当立即停止钻进，但不得拔出钻杆；应当立即向矿安全指挥中心汇报，派人监测水情。

发现情况危急，应当立即撤出所有受水威胁区域的人员到安全地点，然后采取安全措施，进行处理。

9、安排专职瓦检员检测施工地点及附近瓦斯，如果瓦斯或者其他有害气体浓度超过有关规定，应当立即停止钻进，切断电源，撤出人员，并报告矿安全指挥中心，及时处理。

10、施工单位编制好排水系统图、避灾路线图，要求准确无误，具有可操作，并向工人贯彻。

11、钻孔施工完毕后，必须经防治水科验收后方可停工。

12、为预防不可预知的水害事故，应在3501回风顺槽内准备足
够的沙袋等堵水材料，并培训现场及附近工作人员相关自救、互救措施及应急预案。

4、避灾路线
避水灾路线：
施工地点→3501回风顺槽→轨道大巷→副井底→地面
避火、瓦斯路线：
施工地点→3501回风顺槽→轨道大巷→副井底→地面
附：探测陷落柱示意图
探测陷落柱示意图
4、Array经
费
说
明
地
震超前
探测为
5万元/
次。

探
测费用
及技术
工作
费，依
据《工
程勘察
设计收
费标
准》
（
求进行计算。

注：除管线探测以外，其他物探方法在地形、障碍、干扰条件复杂的，附加调整系数为1.2-3.0；因为煤矿为高危高艰苦行业，其调整系数为2.0—3.0。

工程物探技术工作费收费比例为22%。

表4-1 现场探测经费计算表。